2. 파력 에너지 수확 기술
2.2. 연안 에너지 수확 기술
2.2.2. 압축 공기를 이용한 터진 방식
그림 2-14. 터빈을 회전시키기 위해 소류지를 통과 후 저장소에 저장되는 파력에너지
그림 2-15. 파력을 이용한 공기터빈 [14]. (a) 파도가 챔버를 채우게 되면 (b) 상승된 물로 인 해 공기는 압축되고 (c) 빠져나가는 물에 의하여 공기 역시 빠져나가게 됨
2.2.3. 파력 흡수기를 이용한 에너지 수확 기구
파력 흡수기(wave power absorber)는 파도의 에너지를 흡수하여 역학적 에 너지로 변환 후 발전기와 연결된 터빈을 움직이게 하거나 선형식 발전기의 피 스톤을 직접 움직여 운동에너지를 전기에너지로 전환한다.
부유체가 수위보다 위 혹은 아래에 있을 때, 복원력은 부유체를 원래 평형 위치로 되돌려 놓으려는 경향이 있어 물체를 원 위치로 되돌리면서 위치에너 지를 만들어낸다. 운동에너지는 물체의 움직임과 연관되어 있다[4].
파력 시스템 에너지를 효과적으로 추출하기 위하여, 식 (2-1)에 주어진 역학 적 에너지를 고려해야한다. 파력 흡수기의 기본 원리는 전기 에너지로 전환할 수 있는 파도의 역학적 에너지를 흡수하는 것으로, 에너지 추출에는 펌프, 플 라이휠, 압축기, 터빈, 그리고 선형식/회전식 발전기가 역학적 에너지의 변환기 로 사용된다[4].
그림 2-16. 부이 모양을 가진 Falnes 터빈
파력 이용에 대한 몇 개의 문헌이 보고되어 있다[17-19]. Issacs[13]은 스크립 스 펌프를 포함한 몇 가지 장비들을 서술하였으며, [20] 문헌에서는 Richards가
그림 2-17. Air pressure ring buoy. (a) 수위가 높아짐에 따라 공기는 위쪽의 배출구로 빠져 나감 (b) 수위가 낮아지면 입구를 통해 공기가 다시 유임됨
그림 2-18. Wave contouring raft
Masuda, McCormic, Issas, Kayser, Falnes 의 디자인을 보여주고 있다.
이런 장비에서 실린더형 부이의 히브 움직임은 압력수두(pressure head)로 사용되고 유체 혹은 공압 방법에 의하여 터빈 발전기가 작동되게 한다. 그림 2-16에서는 일본 방위 안전 기구에서 사용된 70, 120W 의 Masuda 유닛을 보여 주고 있다. Masuda는 또한 그림 2-17과 같이 외경 120m의 8면체 의 부이를 제
Wooley and Platts에 의하여 제안된 contouring raft는 연결된 각 래프트의 움직임에 의하여 작동하는 유체 펌프로 구성되어 있으며 그림 2-18에 나타나 있다. 이 방법의 구체적인 사항은 [4]에서 논의 되었다. 이 방법은 영국 사우스 햄턴의 Wavepower Ltd에 의하여 실험된바 있다. 각각의 래프트는 가장 많은 에너지를 발생시키기 위하여 평균 길이를 파장의 1/4 길이로 제작하였으며 폭 은 진행하는 파도 방향으로 약간 넓게 제작하였다.
실린더형 부이는 부이의 직경보다 큰 파도로부터 에너지를 추출할 수 있으 며 파도의 방향에 큰 영향을 받지 않기 때문에 선호된다. 파면에서의 파력 또 는 에너지 플럭스는 약 H2T 이다. 부유체는 부유체에 직접 영향을 주는 파도 뿐 만 아니라 굴절파와 방사파의 에너지도 추출하므로 더 많은 에너지를 추출 할 수 있다.
이러한 장비들의 배열은 입사파의 움직임을 조절할 수 있는 장비가 있을 경 우 더 많은 에너지를 포획할 수 있다. [21]에서는 파장만큼 떨어진 부유체 배열 은 히브, 롤과 같은 두 모드를 작동할 수 있으며 입사파의 100% 에너지를 추출 할 수 있다고 밝힌 바 있다.
2.3. 파력에 의한 직접 회전식 발전기
이 섹션에서는 회전식 발전기와 연결된 가장 일반적인 파력 터빈 몇 가지에 대하여 논한다. 이런 장비들은 일반적으로 해안에 고정된 구조물 안에 설치되 며, 고정되어 있기 때문에 높은 보존 효율을 위해서는 파도에 견딜 수 있는 적 절한 프레임을 갖추어야 한다.
2.3.1. 우물통 구조의 웰스 터빈
웰스 터빈은 저압 에어터빈으로 보통 OWC 어플리케이션에서 사용되며 비 싸고 약한 밸브 시스템을 사용하지 않아도 된다.
OWC는 해안가에 마운팅 구조물로 사용하며 파도의 힘을 견디기 위하여 고 정된 구조물을 사용한다. OWC는 공진 장비가 필수적이며 들어오는 파도의 움 직임에 반응하여 작동한다[22]. 컬럼 내부의 수압은 입사파의 마루 때문에 증 가한다. 내부의 수위가 상승하게 되면 공기는 컬럼의 상부에서 바깥으로 빠져 나간다[22]. 이런 공기흐름은 에어터빈을 회전시키고 이후 파도가 바다 쪽으로 나가면 공기의 흐름은 반대방향으로 바뀌게 된다.
OWC는 그림 2-19의 자기정류형(self-rectifying) 에어터빈인 웰스 터빈을 사 용하기 때문에 별도의 정류 밸브가 불필요하다. 웰스 터빈은 공기 컬럼으로 들 어오고 나가는 공기의 흐름을 통하여 에너지를 추출하며, 저항이 작아 기어 장 치 없이도 수백 rpm의 속도로 회전할 수 있다. 웰스 로터의 효율은 컬럼 내 수 위가 2~3m 일 때 가장 높으며 이 높이는 전형적인 바다의 파고와 같다.
양방향의 공기흐름은 블레이드에 앞쪽으로의 추력을 생성하며, 공기가 양방 향임에도 불구하고 터빈은 한 방향으로 회전한다.
그림 2-20. 웰스 터빈의 블록 다이아그램
그림 2-20은 웰스 터빈의 블록다이어그램이다. 터빈의 입력 모델은 컬럼 안 의 압력 상승에 따른 공기 속도이며 출력 모델은 발전기를 돌리는 기계적인 토 크이다[23,24].
기계적인 토크 출력은
(2-9)
이다. 여기서 Pshaft는 터빈 쉐프트의 출력이며 ωm은 터빈 쉐프트의 각속도 이다. 쉐프트 출력 Pshaft는 다음과 같이 계산될 수 있다.
(2-10)
여기서 η와 Pair는 각각 터빈과 에어 출력의 효율이다. 터빈의 효율은 유체 상수 Φ의 함수이며, 터빈의 효율과 유체상수의 관계는 그림 2-21에서 보여주 고 있다.
그림 2-21. 터빈의 효율과 유체상수의 관계
에어출력은 공기의 속도에 비례하기 때문에
(2-11)
와 같이 나타낼 수 있으며 여기서 k는 비례상수 이다.
유체상수 Φ는
터빈의 출력 토크는 진동(pulsating) 형태이다. 즉, 토크의 출력 파형은 공기 의 흐름과는 달리 오실레이션을 가지고 있다. 터빈에 들어가는 공기의 속도는 파장, 파고와 관계있으며, 결합되어 있는 플라이휠의 큰 관성은 터빈의 출력 토크를 보다 부드럽게 만들어 준다. 플라이휠은 터빈과 유도발전기 사이의 쉐 프트에 위치한다[23,24].
그림 2-20의 웰스 터빈의 블록 다이어그램은 MATLAB과 simulink를 이용하 여 실현 될 수 있으며 웰스 터빈의 진동 파형의 한 예를 그림 2-20에서 확인할 수 있다. 이때의 관성은 J=0.02kgm2, 전력보존비례상수 k=0.5 이며, 터빈 반경 은 1m 로 작은 크기의 웰스 터빈에 속한다.
그림 2-20. 웰스 터빈의 진동 파형의 한 예